Superconductivity of Tellurium Polyhydride with Tc above 90K

على مدى عقود، ظل العلماء يبحثون عن مادة يمكنها توصيل الكهرباء دون أي فقدان للطاقة، وهي حالة تُعرف باسم الموصلية الفائقة. وبينما تُعد هذه الظاهرة معروفة جيداً، إلا أنها تتطلب عادةً درجات حرارة شديدة البرودة لا توجد إلا في أعمق أعماق الفضاء، مما يجعل استخدامها العملي صعباً للغاية. وقد تكثف البحث مؤخراً حول عائلة محددة من المواد تسمى "البوليهيدريدات" (polyhydrides)، وهي مركبات تتكون من الهيدروجين المرتبط بعناصر أخرى. ومن الناحية النظرية، تحمل هذه المواد وعداً فريداً: فإذا تم ضغطها بقوة كافية، ستُجبر ذرات الهيدروجين على الاقتراب من بعضها البعض لدرجة تجعلها تبدأ في التصرف مثل المعدن، مما قد يسمح للكهرباء بالتدفق بحرية عند درجات حرارة أكثر دفئاً بكثير مما كانت عليه في السابق. ويشير مفهوم "الضغط المسبق" هذا إلى أنه من خلال تطبيق قوة هائلة، يمكن للباحثين خفض درجة الحرارة المطلوبة للموصلية الفائقة إلى نقطة قد تجعلها يوماً ما مفيدة في العالم الحقيقي.

وبناءً على هذه الفكرة، أضاف فريق من الباحثين الآن فصلاً جديداً إلى القصة من خلال اكتشاف الموصلية الفائقة في مركب مكون من التيلوريوم والهيدروجين. التيلوريوم هو عنصر كيميائي يوجد في الجانب الأيمن من الجدول الدوري، وعند دمجه مع الهيدروجين تحت ظروف قاسية، فإنه يشكل مادة توصل الكهرباء دون مقاومة عند درجة حرارة تبلغ حوالي 91 كلفن، أي ما يعادل تقريباً 182 درجة مئوية تحت الصفر. ورغم أن هذه الدرجة لا تزال أقل بكثير من درجة تجمد الماء، إلا أنها تمثل قفزة نوعية لهذا النوع المحدد من المواد، وتعد المرة الأولى التي تُلاحظ فيها الموصلية الفائقة في مركب غني بالهيدروجين من التيلوريوم.

ولصنع هذه المادة، كان على العلماء إعادة إنشاء الضغوط الساحقة الموجودة في أعماق لب الأرض. وقد استخدموا جهازاً يسمى "خلية سندان الماس" (diamond anvil cell)، والتي تتكون من قطعتين صغيرتين من الماس ذات رؤوس مسطحة يمكن ضغطهما معاً لعصر عينة بينهما. وداخل هذه الغرفة المجهرية، وضعوا ذرة من التيلوريوم ومادة غنية بالهيدروجين تسمى "أمونيا بوران"، والتي عملت كمصدر للهيدروجين وكوسط لنقل الضغط. وقاموا بتسخين العينة باستخدام ليزر قوي إلى درجات حرارة تصل إلى 2000 كلفن، مما أدى إلى تفكيك الأمونيا بوران، وإطلاق غاز الهيدروجين الذي تفاعل مع التيلوريوم لتكوين المركب الجديد. كانت هذه العملية دقيقة وصعبة؛ إذ إن الحرارة الشديدة المطللة لصهر المادة غالباً ما كانت تتلف سندانات الماس، مما جعل من الصعب تكرار التجربة أو اختبار المادة تحت ضغوط متغيرة.

بمجرد تشكيل المادة، قام الباحثون بقياس مقاومتها الكهربائية مع الحفاظ عليها تحت ضغط عالٍ وتبريدها. ولاحظوا أنه مع انخفاض درجة الحرارة، تنخفض المقاومة الكهربائية للعينة بشكل حاد وتتلاشى تماماً في النهاية، وهي علامة واضحة على أن المادة قد أصبحت موصلاً فائقاً. وفي إحدى عيناتهم، ظهرت حالة المقاومة الصفرية هذه عند درجة حرارة تبلغ حوالي 91 كلفن. وللتأكد من أن هذا كان بالفعل موصلية فائقة وليس مجرد تغير في بنية المادة أو مغناطيسيتها، قاموا بتطبيق مجالات مغناطيسية. ووجدوا أنه كلما زادت قوة المجال المغناطيسي، انخفضت درجة الحرارة التي تصبح عندها المادة فائقة التوصيل، وهو سلوك يعد سمة مميزة للموصلات الفائقة الحقيقية. كما أشار هذا الحساسية للمجالات المغناطيسية إلى أن مناطق الموصلية الفائقة داخل العينة كانت متصلة عبر "روابط ضعيفة"، وهي سمة شائعة في المواد المكونة من بلورات صغيرة عديدة.

ثم توجه الفريق إلى شعاع أشعة سينية قوي في منشأة بحثية كبيرة للنظر داخل المادة ومعرفة كيفية ترتيب ذراتها. وكشف نمط الحيود الذي التقطوه أن الطور فائق التوصيل هو مركب محدد يسمى TeH4، حيث ترتبط ذرة واحدة من التيلوريوم بأربع ذرات من الهيدروجين. وبنية هذا المركب متميزة للغاية، حيث تتميز بوجود أقفاص من ذرات الهيدروجين التي تتشارك الوجوه فيما بينها، لتشكل شبكة تشبه خلايا النحل. وضمن هذا الهيكل، تستقر أزواج من ذرات الهيدروجيد بالقرب من بعضها البعض، لتعمل تقريباً كجزيئات فردية محاصرة داخل الإطار الأكبر. ويتطابق هذا الترتيب مع التوقعات النظرية التي وضعها علماء آخرون، الذين اقترحوا أن هذا الشكل تحديداً سيكون مستقراً تحت هذه الضغوط العالية وقادراً على تحقيق الموصلية الفائقة.

يضع هذا الاكتشاف "بوليهيدريد التيلوريوم" جنباً إلى جنب مع "هيدريد الكبريت" كواحد من القلائل المعروفين من الموصلات الفائقة من نوع "تشالكوجين بوليهيدريد" (chalcogen polyhydride). وبينما لم يتمكن الباحثون من تغيير الضغط صعوداً وهبوطاً لمراقبة سلوك المادة عبر نطاق أوسع بسبب هشاشة عيناتهم، فإن البيانات التي جمعوها توفر أساساً متيناً لفهم كيفية تصرف المواد الغنية بالهيدروجين تحت الإجهاد الشديد. وتؤكد هذه النتائج أنه من خلال ضغط هذه العناصر معاً، يمكن خلق حالات جديدة من المادة توصل الكهرباء بكفاءة مثالية عند درجات حرارة -رغم أنها لا تزال باردة جداً- تعد أكثر دفئاً من تلك المطلوبة للموصلات التقليدية. إن هذا العمل يوسع خارطة المواد الموصلة المعروفة ويقدم دليلاً إضافياً على أن الوعد النظري للموصلية الفائقة عالية الحرارة في "البوليهيدريدات" بدأ يصبح واقعاً ملموساً.